專利名稱：一種多路輸出直流-直流變換器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及直流-直流變換器，尤其是大功率全橋軟開關隔離型多 路輸出直流-直流變換器。
背景技術：
多路輸出的直流-直流變換器有著極為廣泛的應用，對多路輸出的直流-直流變換器的基本要求有高效率，低成本，小體積，控制方法簡單，輸入 輸出隔離以及各路輸出電壓均可調節(jié)等。目前，已有多種技術可以同時滿 足上述的一種或多種需求，然而，這些技術中大都利用了一個或兩個功率 開關管來形成正激或反激電路，不能應用于大功率輸出場合。例如，名為"一
種多路輸出直流/直流變換器及變換方法"，公告號1389971，公告日2003 年1月8日的中國專利，通過兩個結構對稱的單端隔離變換器對輸入電壓 進行變換，將兩個隔離變換器輸出端相并聯，形成共用的第一級低壓直流 母線，再將多個直流-直流變換單元的輸入端與低壓直流母線連接，得到多 路電壓可調節(jié)的直流輸出。該電路結構簡單，成本低，但由于僅使用單個 功率開關管進行功率變換，難以應用于大功率場合。
在需要大功率多路輸出的場合，通常使用全橋變換器進行功率變換。 但是，若每一路輸出使用一個全橋變換器進行功率變換，則N路可調節(jié)輸 出需要4N個功率開關管，導致系統結構復雜，成本過高，體積過大。為解 決上述問題，一種常用的大功率多路輸出全橋直流-直流變換器如圖1所示， 它包括了由變壓器原邊側繞組np和反并聯有二極管的功率開關管QrQ4組 成的輸入電路，由變壓器副邊側繞組nsi、 二極管組成的整流橋D^、濾波電 感L。p濾波電容C^組成的主輸出，以及由變壓器副邊繞組nsi、整流橋D^ 輔助功率開關管Q。i、濾波電感L。i，濾波電容C。i和續(xù)流二極管Di組成的輔助輸出，其中N為大于等于2的整數。通過對功率開關管QrQ4進行移相 控制，可以調節(jié)第一路輸出電壓，同時可以在一定范圍內實現功率開關管 的零電壓開通；通過對輔助功率開關管Q。i進行PWM控制，可以調節(jié)第2 至第N路輸出電壓。這種全橋隔離型直流-直流變換器僅使用了 N+3個功率 開關管，就可以得到N路輸出電壓，結構簡單。但是，該電路存在許多缺 點需要額外的電路來控制輔助功率開關管；僅當第一路輸出滿載時，其 它的各路輸出才能完全可調；并且所有副邊繞組均處于同一變壓器內，不 便于輸出路數的擴充。
名為"一種隔離型多路輸出直流-直流變換器"，公開號1790887，公開 日2006年6月21日的中國專利申請，提出了一種結構簡單且適用于中大 功率場合的多路輸出直流-直流變換器。該發(fā)明在全橋變換器的第一逆變橋 臂中點與電源負端之間接有第一路輸出電路，在第二逆變橋臂中點與電源 負端之間接有第二路輸出電路，在第一逆變橋臂與第二逆變橋臂的中點之 間接有第三路輸出電路。其中第一路輸出電壓依靠第一逆變橋臂的占空比 調節(jié)，第二路輸出電壓依靠第二逆變橋臂的占空比調節(jié)，第三路輸出依靠 第一逆變橋臂與第二逆變橋臂之間的相移來調節(jié)。通過增加一個新的橋臂， 可以在橋臂中點與電源負端及相鄰橋臂中點之間增加兩個新的輸出，該技 術理論上可以用N個功率開關管實現N-1路輸出。該技術的缺點是第一
輸出與第二輸出實際上是由半橋變換器進行功率變換的，輸出能力不及全 橋變換器；各路輸出均處于不對稱工作狀態(tài)，變壓器利用不充分；各輸出 之間互相影響，耦合嚴重；控制策略涉及占空比與移相之間的配合，實現 困難；并且控制策略隨輸出路數的增加而變得更為復雜，不利于輸出路數 的擴充。
發(fā)明內容
本實用新型的目的在于提供一種多路輸出直流-直流變換器，該變換器 可以提供多路精確可調的輸出，且各路輸出均具有與全橋變換器相當的功 率容量，能夠提高效率與功率密度；并具有簡單的主電路結構以及控制方法，便于進行輸出路數的擴充。
本實用新型提供的多路輸出直流-直流變換器，其特征在于它包括公
共逆變橋臂、N個獨立逆變橋臂以及N路輸出電路，N為大于等于2的整 數；
N個獨立逆變橋臂具有同樣的結構，均包括兩個帶有反并聯二極管的 第一、第二功率開關管；每個獨立逆變橋臂的第一功率開關管的漏極與電 源正端相連，源極與第二功率開關管的漏極相連；第二功率開關管的源極 與電源負端相連；第一功率開關管源極與第二功率開關管漏極之間的連結 點作為該獨立逆變橋臂的中點；
公共逆變橋臂包括上、下單元，上、下單元均由功率二極管和第三功 率開關管串聯而成，且功率二極管的陽極和第三功率開關管漏極為承受高 電位端；所述上單元的一端接電源正端，另一端接公共逆變橋臂的中點， 所述下單元的一端接公共逆變橋臂的中點，另一端接電源負端；
每個獨立逆變橋臂的中點與公共逆變橋臂中點分別接有輸出電路，各 輸出電路均包括復位電容、隔離整流電路和濾波電路；隔離整流電路的第 一輸入端與獨立逆變橋臂和公共逆變橋臂的其中一個中點相連，第二輸入 端通過復位電容與獨立逆變橋臂和公共逆變橋臂的另一個中點相連；濾波 電路由濾波電感和濾波電容串接而成，并接在隔離整流電路的正、負輸出 端之間。
本實用新型的共用零電流開關滯后橋臂的多路輸出直流-直流變換器工 作于恒定頻率，各路輸出電壓均利用.該路的獨立逆變橋臂與公共逆變橋臂 之間的相移來進行調節(jié)，各路輸出之間完全獨立，互不影響。各獨立逆變 橋臂作為移相控制中的超前橋臂，橋臂中的各功率開關管均可實現零電壓 開通；公共逆變橋臂作為移相控制中的滯后橋臂，通過第一和第二功率二 極管及各路輸出電路中復位電容的作用，公共逆變橋臂中的功率開關管均 可實現零電流開關。通過本實用新型提出的電路結構，可達到如下效果僅用2N+2個功率 開關管實現了 N路大功率可調節(jié)輸出，且各路輸出的工作與控制方式與全 橋變換器完全相同；各獨立橋臂上的功率開關管均可實現零電壓開通，公 共橋臂的功率開關管均可實現零電流開關，從而減小了開關損耗，提高了 效率與工作頻率，有利于提高功率密度；在各路輸出中，變壓器均工作于 對稱狀態(tài)，變壓器利用充分；通過新增一路獨立逆變橋臂、輸出電路及控 制電路，就可得到一路新的輸出，易于實現輸出路數的擴充；新增的輸出 不影響零電壓開通與零電流開通的實現條件。


圖1是現有的一種全橋隔離型多路輸出直流-直流變換器；
圖2是本實用新型的電路原理框圖3是本實用新型中公共逆變橋臂的具體實現形式；
圖4是圖2原理框圖中隔離整流電路的具體實現形式；
圖5是本實用新型的各功率開關管柵極驅動脈沖的時序及各獨立橋臂
中點與公共橋臂中點間的電壓波形圖6是令本實用新型中N=3時得到的三路輸出直流-直流變換器；
圖7是令本實用新型中N=3時得到的三路輸出直流-直流變換器工作時
的驅動脈沖時序以及主要電壓和電流波形圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。 如圖2的原理框圖所示，本實用新型提供的變換器包括N個獨立逆變 橋臂l.i，其中N為大于等于2的整數，i取值為l至N， 一個公共逆變橋 臂2，以及分別連接在各獨立逆變橋臂中點Mi與公共逆變橋臂中點Mc之 間的N路輸出電路。
N個獨立逆變橋臂具有同樣的結構，如圖2中所示，獨立逆變橋臂l.i
均分別由兩個帶有反并聯二極管的功率開關管SU， Si2組成，i取值為1至N。每個獨立逆變橋臂的第一功率開關管S"的漏極與電源正端相連；源極 與第二功率開關管Si2的漏極相連;第二功率開關管的源極與電源負端相連; 第一功率開關管Su源極與第二功率開關管Si2漏極之間的連結點作為該獨 立逆變橋臂的中點Mi。各功率開關管Su， Si2的柵極外接驅動電路。并聯于 各功率開關管漏源極之間的電容可以是功率開關管自身的輸出電容，也可 以是額外并聯于漏源極之間的電容。
公共逆變橋臂包括上、下單元。上、下單元均由功率二極管和第三功 率開關管串聯而成，且功率二極管的陽極和第三功率開關管漏極為承受高 電位端。如圖2所示，公共逆變橋臂的上、下單元均分別由兩個功率二極
管Dd， Dc2和兩個帶有或不帶有反并聯二極管的第三功率開關管SC1， SC2
組成。根據功率開關管與功率二極管位置的不同，公共逆變橋臂有多種具
體實現形式。在圖2中的實現形式中，選用帶有反并聯二極管的功率開關 管Sd， SC2;其中功率二極管Dd的陽極與電源正端相連，陰極與功率開關 管SC1的漏極相連；功率開關管SC1的源極與功率開關管SC2的漏極相連； 功率開關管SC2的源極與功率二極管DC2的陽極相連；功率二極管DC2的陰 極與電源負端相連。此時功率開關管Sd源極與功率開關管Sc2漏極的連結 點作為公共逆變橋臂的中點Mc。
公共逆變橋臂另外的具體實現形式如圖3.1至3.3所示。它們與電源正 端的連接點A、與電源負端的連接點B以及橋臂中點Mc的定義均在圖中標 注。另外，圖3中帶有反并聯二極管的功率開關管也可以采用不帶反并聯 二極管的功率開關管代替。
每個獨立逆變橋臂中點Mi與公共逆變橋臂中點Mc之間的第i路輸出 電路均由復位電容Cdi、隔離整流電路3.i和濾波電路組成，濾波電路包括 濾波電感L。i和濾波電容C。i， i取值為1至N。其中復位電容Qi—端與獨 立逆變橋臂的中點Mi相連，復位電容Cdi另一端與隔離整流電路一端輸入 相連，隔離整流電路的另一輸入端與公共橋臂中點Mc相連；隔離整流電路 的正輸出端與濾波電感L。i一端相連；濾波電感L。i的另一端與濾波電容C。i 正端相連；濾波電容C。i的負端與隔離整流電路的負輸出端相連。使用時，
8濾波電容C。i與外接的負載Roi并聯。另外，復位電容Qi也可以接在隔離整 流電路與公共逆變橋臂中點Mc之間。濾波電感L。i和濾波電容C。i的位置可 以互換。
上述輸出電路中的隔離整流電路由變壓器與二極管整流橋組成，根據 的整流橋形式的不同，可有如圖4所示的兩種具體實現形式
在圖4.1的具體實現形式中，變壓器Ti原邊繞組npi的一端與原邊電感 Llki的一端相連，原邊電感Llki的另一端及變壓器原邊繞組npi的另一端作為 隔離整流電路的兩個輸入端；變壓器Ti副邊繞組nSi的一端與第一整流二極 管Du的陽極及第二整流二極管Di2的陰極共接，變壓器Ti副邊繞組nSi的 另一端與第三整流二極管Di3的陽極與第四整流二極管Di4的陰極共接；第 一整流二極管Du的陰極與第三整流二極管Di3的陰極相連，并作為該路隔 離整流電路的正輸出端，第二整流二極管Di2的陽極與第四整流二極管Di3 的陽極相連，并作為該路隔離整流電路的負輸出端。
在圖4.2的具體實現形式中，變壓器Ti原邊繞組npi的一端與原邊電感 Llki的一端相連，原邊電感Llki的另一端及變壓器原邊繞組npi的另一端作為 隔離整流電路的兩個輸入端；變壓器Ti副邊繞組nsi的兩端分別與第一整流 二極管Du的陽極及第二整流二極管Di2的陽極共接，第一整流二極管Du 的陰極與第二整流二極管Di2的陰極相連，并作為該路隔離整流電路的正輸 出端，變壓器Ti副邊繞組nsi的中心抽頭引線作為該路隔離整流電路的負輸 出端。
在圖4中，Lud可以是對應的變壓器Ti內部的漏感，也可以是額外串聯 于變壓器原邊側的電感；構成整流橋的各整流二極管，或其中之一，也可 為同步整流管。
本實用新型的共用零電流開關滯后橋臂的多路輸出直流-直流變換器工 作于恒定頻率，其控制策略如圖5所示。連接各獨立逆變橋臂開關管Sn， Si2柵極的驅動脈沖PWMu， PWMi2以及連接共用逆變橋臂功率開關管SC1， Sc2柵極的驅動脈沖PWMd， PWMC2，均為180?；パa且?guī)в兴绤^(qū)時間d的 脈沖，以防止上下管直通，并為功率開關管的零電壓開通提供條件。以共用逆變橋臂的驅動脈沖PWMd， PWMc2為基準，通過調節(jié)每一路獨立逆變 橋臂與公共逆變橋臂之間的相移Di,可以改變該路變壓器Ti原邊電壓 VMi-MC的脈寬，從而可以精確調整該路輸出電壓。
為了充分描述本實用新型的各種工作狀態(tài)，現以一個三路輸出N-3的 電路來進行說明。 一個三路輸出直流-直流變換器如圖6所示，其對應的脈 沖時序與主要電壓、電流波形如圖7所示，以此來說明電路的工作狀態(tài)。 為了更好地描述本實用新型的工作過程，假設圖5所示的三路輸出分別處 于三種典型的帶載狀態(tài)第一路輸出工作于輕載狀態(tài)，其輸出濾波電感L。i 上電流處于斷續(xù)狀態(tài)；第二路輸出工作于半載狀態(tài)，其輸出濾波電感L。2 上電流處于臨界斷續(xù)狀態(tài)；第三路輸出工作于滿載狀態(tài)，其輸出濾波電感 L。3上電流處于連續(xù)狀態(tài)。在閉環(huán)控制器的作用下，穩(wěn)態(tài)時三路輸出的移相 角將滿足D^D^Db在一個工作周期內， 一組時間上相鄰的逆變橋臂的開 關過程與另一組時間上相鄰的逆變橋臂的開關過程基本類似，因此在此只 分析半個工作周期，另外半個工作周期可作類似分析。在半個工作周期內， 變換器的主要工作過程如下 階段l (to國t。:
在此階段，各獨立逆變橋臂的上側功率開關管Su 、 S21、 Sw均導通， 同時公共逆變橋臂的下側功率開關管S口導通。因此各路輸出電路的整流二 極管Dn、 D21、 Da導通。在Dn、 D21、 031換流結束后，各路輸出的原邊 側電流 ipi、 ip2、 ip3 以及各路輸出的濾波電感電流 iLol、 iLo2、 iLo3 均線性上升，
三路輸出的功率均由變壓器原邊側向負載側傳送。同時，復位電容cdl、cd2、
Cd3被充電，電容電壓Von、 VCd2、 Vcd3正向增加。 階段2 (trt2):
在h時刻，功率開關管S 關斷。第一路輸出的原邊側電流ipl開始對 功率開關管Su的輸出電容充電，并對功率開關管Su輸出電容放電。在t2
時刻前，功率開關管Si2的輸出電容己被放電至零，原邊電流ip!開始流過 功率開關管S^的反并聯二極管，為功率開關管Su的零電壓開通創(chuàng)造了條
件。 '階段3 (trt3):
在t2時刻，功率開關管S,2開通。由于功率開關管S,2開通前，其兩側 電壓已為零，因此功率開關管S,2是零電壓開通。此后當原邊向副邊提供的 功率不足時，副邊側的兩個整流二極管Du、 D^均導通，濾波電感L。i上的
電流iL。i經整流二極管Dn、 D^續(xù)流并線性減小。此時變壓器Ti的原邊側 相當于被短接，因此復位電容Qu上的電壓Von將直接加到變壓器的漏感 Lm上，原邊電流ipi迅速減小。
在此階段，除第一路原邊電流U卜，其它各路輸出的原邊電流ip2、 ip3
及濾波電感電流il^。2、 L。3均繼續(xù)線性上升，復位電容Cd2、 Cd3的電壓Vcd2、
Vcd3繼續(xù)正向增加。第2、三路輸出的功率繼續(xù)由原邊側向負載側傳送。
階段4 (t3-t4):
由于第一路輸出所帶負載很輕，因此濾波電感L。i的電流i^斷續(xù)。在 t3時刻，L。i下降為零。此時變壓器l的原邊側相當于被斷開，該路輸出中 的復位電容Cdl與變壓器漏感Liki將保持該時刻的狀態(tài)，且對其它各路產生
的影響可以忽略不計。
階段5 (t4-t5):
在t4時刻，功率開關管S^關斷。第二路輸出的原邊側電流ip2開始對 功率開關管Sa的輸出電容充電，并對功率開關管S22輸出電容放電。在ts 時刻前，功率開關管S22的輸出電容已被放電至零，原邊電流ip2開始流過 功率開關管S22的反并聯二極管，為功率開關管S22的零電壓開通創(chuàng)造了條 件。
階段6(t"6):
在t5時刻，功率開關管S22開通。由于功率開關管S22開通前，其兩側 電壓已為零，因此功率開關管S22是零電壓開通。此后當原邊向副邊提供的 功率不足時，輸出電路副邊側的兩個整流二極管D21、 022均導通，濾波電 感L。2上的電流經整流二極管D^、 022續(xù)流，變壓器T2的原邊側相當于被 短接。由于第二路輸出的濾波電感L。2的電流"2處于臨界斷續(xù)狀態(tài)，因此 變壓器T2的原邊側一直被短接。復位電容Qj2上的電壓Vcd2將直接加到變壓器的漏感l(wèi)m上，原邊電流ip2減小，但仍未減少至零。
在此階段，第三路輸出的原邊電流ip3及濾波電感電流iL。3繼續(xù)線性上 升，復位電容Cd3的電壓Vcd3繼續(xù)正向增加。第三路輸出的功率繼續(xù)由原 邊側向負載側傳送。 階段7 (Vt7):
在t6時刻，功率開關管S3i關斷。第三路輸出的原邊側電流ip3開始對 功率開關管SM的輸出電容充電，對功率開關管S32輸出電容放電。在te時 刻前，功率開關管S32的輸出電容已被放電至零，原邊電流ip3開始流過功 率開關管S32的反并聯二極管，為功率開關管S32的零電壓開通創(chuàng)造了條件。 階段8 (t7-t8):
在t7時刻，功率開關管S32開通。由于功率開關管S32開通前，其兩側 電壓已為零，因此功率開關管S32是零電壓開通。此后當原邊向副邊提供的 功率不足時，輸出電路副邊側的兩個整流二極管D31、 032均導通，濾波電 感L。3上的電流經整流二極管D3。 D32續(xù)流，變壓器T3的原邊側相當于被 短接。由于第三路輸出滿載，對應濾波電感L。3上的電流^。3處于連續(xù)狀態(tài)， 因此變壓器T3的原邊側一直被短接。此時，復位電容Cd3上的電壓Vob將 直接加到變壓器的漏感I^3上，原邊電流ip3減小，但仍未減少至零。 階段9 (ts-t9):
在ts時刻，原邊電流ip2與ip3減小為零。由于功率二極管Dc2的存在， 電流ip2、 ip3不能反向增加。因此，在ts時刻后，功率開關管S32里已無電流。 為功率開關管的零電流關斷提供了條件。同時，復位電容Cd2、 Cd3、變壓器
漏感Lm、 Llk3將通過開關管S22、 S32及直流電源構成充放電回路。 階段10 (t9-t10):
在t9時刻，功率開關管Sc2關斷。由于功率開關管Sc2關斷前電流已為 零，因此功率開關管Sc2是零電流關斷。在tu)時刻，功率開關管Sd開通。
由于各路輸出變壓器中漏感L^、 Llk2、 Lw的存在，在功率開關管Sd開通
過程中，流過功率開關管Sd的電流仍近似為零，實現了功率開關管Sc2的
零電流開通。
12另外半個工作周期也可作類似分析。盡管上述分析只有三路輸出，但
其概括了 3種不同的典型工作狀態(tài)，因此，當輸出擴充到N路時，仍可以 上述分析為基礎進行推廣。
以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應該局限 于該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精 神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的范圍。
權利要求1、一種多路輸出直流-直流變換器，其特征在于它包括公共逆變橋臂、N個獨立逆變橋臂以及N路輸出電路，N為大于等于2的整數；N個獨立逆變橋臂具有同樣的結構，均包括兩個帶有反并聯二極管的第一、第二功率開關管；每個獨立逆變橋臂的第一功率開關管的漏極與電源正端相連，源極與第二功率開關管的漏極相連；第二功率開關管的源極與電源負端相連；第一功率開關管源極與第二功率開關管漏極之間的連結點作為該獨立逆變橋臂的中點；公共逆變橋臂包括上、下單元，上、下單元均由功率二極管和第三功率開關管串聯而成，且功率二極管的陽極和第三功率開關管漏極為承受高電位端；所述上單元的一端接電源正端，另一端接公共逆變橋臂的中點，所述下單元的一端接公共逆變橋臂的中點，另一端接電源負端；每個獨立逆變橋臂的中點與公共逆變橋臂中點分別接有輸出電路，各輸出電路均包括復位電容、隔離整流電路和濾波電路；隔離整流電路的第一輸入端與獨立逆變橋臂和公共逆變橋臂的其中一個中點相連，第二輸入端通過復位電容與獨立逆變橋臂和公共逆變橋臂的另一個中點相連；濾波電路由濾波電感和濾波電容串接而成，并接在隔離整流電路的正、負輸出端之間。
2、 根據權利要求1所述的多路輸出直流-直流變換器，其特征在于所 述隔離整流電路由變壓器與二極管整流橋組成，變壓器原邊繞組的兩端作 為隔離整流電路的兩個輸入端；變壓器副邊繞組的一端與第一整流二極管 的陽極及第二整流二極管的陰極共接，變壓器副邊繞組的另一端與第三整 流二極管的陽極與第四整流二極管的陰極相連；第一整流二極管的陰極與 第三整流二極管的陰極相連，并作為該路隔離整流電路的正輸出端，第二 整流二極管的陽極與第四整流二極的陽極相連，并作為該路隔離整流電路 的負輸出端。
3、 根據權利要求1所述的多路輸出直流-直流變換器，其特征在于所 述隔離整流電路的結構為變壓器原邊繞組的兩端作為隔離整流電路的兩個輸入端；變壓器副邊 繞組的兩端分別與第五整流二極管的陽極及第六整流二極管的陽極相連， 第五整流二極管的陰極與第六整流二極管的陰極相連，并作為該路隔離整 流電路的正輸出端，變壓器副邊繞組的中心抽頭引線作為該路隔離整流電 路的負輸出端。
4、 根據權利要求2或3所述的多路輸出直流-直流變換器，其特征在于 變壓器原邊繞組的一端串接電感后作為隔離整流電路的一個輸入端。
5、 根據權利要求l、 2或3所述的多路輸出直流-直流變換器，其特征 在于所述第三功率開關管為帶有反并聯二極管的功率開關管。
專利摘要本實用新型公開了一種多路輸出直流-直流變換器，它包括公共逆變橋臂和多個獨立逆變橋臂；各獨立逆變橋臂均包括兩個帶有反并聯二極管的第一、第二功率開關管；公共逆變橋臂包括均由功率二極管和第三功率開關管串聯而成的上、下單元；每個獨立逆變橋臂中點與公共逆變橋臂中點分別接有輸出電路。本實用新型裝置工作于恒定頻率，各路輸出電壓均利用該路的獨立逆變橋臂與公共逆變橋臂之間的相移來進行調節(jié)，各路輸出之間完全獨立，互不影響。各獨立逆變橋臂作為移相控制中的超前橋臂，橋臂中的各功率開關管均可實現零電壓開通；公共逆變橋臂作為移相控制中的滯后橋臂，通過二個功率二極管及各路輸出電路中復位電容的作用，公共逆變橋臂中的功率開關管均可實現零電流開關。
文檔編號H02M3/00GK201378796SQ200920084839
公開日2010年1月6日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權日2009年4月10日
發(fā)明者勇 康, 力 彭, 宇 陳 申請人:華中科技大學